• No se han encontrado resultados

Reference evapotranspiration of screenhouse‐grown crops

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "Reference evapotranspiration of screenhouse‐grown crops"

Copied!
5
0
0

Texto completo

(1)

P á g i n a 232 | 274 Reference evapotranspiration of screenhouse‐grown crops

 

E. Kitta

(1)

, A. Baille

 (2)

, N. Katsoulas

 (1)

, N. Rigakis

(1)

 

 

(1) Centre for Research and Technology Hellas, Institute for Research and Technology of Thessaly,  Dimitriados 95 & P. Mela, 38333, Volos, Greece. [email protected]  

(2) Universidad Politécnica de Cartagena, Escuela Técnica Superior de Ingenieros Agrónomos, Área de  Ingeniería Agroforestal, Paseo Alfonso XIII, 48, 30203, Cartagena, España. 

   

ABSTRACT 

The reference evapotranspiration Eref was measured under three screenhouses and  compared to outside Eref. The reduction with respect to outside Eref was quantified by  means of two factors, rad and adv. rad was found to depend linearly on transmittance  (), and adv on wind ratio (). A model was proposed for screenhouse Eref based on  outside weather data,  and  

Palabras  clave:  Solar  radiation,  net  radiation,  transmittance,  advective  component,  radiative component 

    1. Introduction 

Screenhouses,  also  called  net‐houses,  are  becoming  popular  among  growers  in  arid  and  semiarid regions like the Mediterranean area, due  to  the  environmental,  economic  and  agronomic  benefits they offer [1]. Insect proof screenhouses  are  environmental  friendly  as  they  reduce  the  amount of chemical inputs in pesticides and their  associated  costs,  health  risks  for  workers  and  potential  environmental  pollution  [2]. 

Economically,  screenhouses  have  lower  cost  compared  to  conventional  greenhouses  [3].  The  reduction  of  solar  radiation  due  to  net‐covering  allows  alleviating  conditions  of  stress‐induced  limitations of the physiological fluxes [4] which are  a major constraint in the productivity and quality  of  greenhouse‐grown  crops.  The  positive  impact  of  a  net‐covering  on  plant  behaviour  can  be  mostly  explained  by  the  more  favourable  microclimate under a screenhouse than outdoors.  

In  particular,  the  reduction  in  both  radiation  load  (net  radiation)  and  wind  speed  due  to  the  presence  of  the  cover  material  leads  to  a  reduction of the climatic demand with respect to  the  open  field.  This  reduction  of  the  climatic  demand  –  generally  expressed  in  terms  of  the  evapotranspiration  of  a  reference  crop,  Eref,  as  proposed  by  the  FAO  [5],  hereafter  FAO‐56‐PM  method ‐ leads to a concomitant reduction of the  actual  evapotranspiration  rate  of  screenhouse  crops  with  respect  to  the  open  field.  This  was  demonstrated by several studies performed in the  last decade [6, 7], 

However,  whereas  irrigation  scheduling  of  open field crop by means of the calculation of the 

FAO‐56‐PM  method  and  subsequent  application  of  a  crop  coefficient  (Kc)  is  used  worldwide,  it  is  not possible to apply this method to screenhouse  crops,  because  the  calculation  of  the  crop  net  radiation, Rn, is based on formulae that are valid  only for open field conditions. In particular, Rn of  a screenhouse crop differs substantially from that  of an open field crop, due to the presence of the  cover, which changes both the net short‐wave and  net  long  wave  radiation.  To  overcome  this  problem, we propose in this study to investigate  the  links  between  the  advective  and  radiative  components  of  Eref,in  and  Eref,out  with  the  aim  to  propose  a  simple  model  of  Eref,in  based  only  on  outside  climate  inputs.  The  specific  objectives  were to:  

(i) demonstrate that the radiative component  of Eref,in is mainly driven by the screenhouse global  transmittance  (),  and  the  advective  component  by the screenhouse wind ratio (), and 

(ii) use these findings to formulate and test the  performance  of  a  Eref‐model  that  enables  predicting Eref,in from  the  radiative  and  advective  components of Eref,out and from the knowledge of 

 and . 

 

2. Materials and Methods   

2.1  Screenhouse and open field facilities 

The  experiments  were  performed  in  three  experimental  flat  roof  screenhouses,  with  the  longer  dimension  oriented  N–S,  (36º  declination 

(2)

P á g i n a 233 | 274

clockwise from North), located at the University of  Thessaly  near Volos  (Velestino:  Latitude 39º 22’,  longitude  22º  44’,  altitude  85  m),  on  the  continental  area  of  Eastern  Greece.  The  three  screenhouses were 20 m long, 10 m wide and 3.2  m high.  

Three  screens were  tested.  Two  were  insect‐

proof (IP) screens manufactured by Meteor Ltd.,  Israel:  (1)  a  pearl  50  mesh  (20/10)  AntiVirusTM  screen,  hereafter  IP‐1;  and  (2)  a  white  50  mesh  BioNetTM (BN), hereafter IP2. The third one was a  green shade screen (Thrace Plastics C S.A. Xanthi,  Greece) hereafter GS. The insect proof nets have  a  regular  mesh  netting  of  0.27mm  x  0.27  mm,  while  the  green  shading net,  due  to  its different  knitting, present meshes that are irregular in size  and arrangement, with dimensions varying in the  range 0.5 mm to 3.0 mm.  

Sweet pepper plants (Capsicum annuum L., cv. 

Dolmi)  were  transplanted  in  the  three  screenhouses  and  in  open‐field  on  May  7,  2012. 

Plants were laid out 0.5 m apart in the row, in five  double rows with a distance between the double  rows of 1.2 m, resulting in a plant density of 1.8  plants per m2

2.2  Climate data 

The following climatic data were continuously  monitored  outside  (University  weather  station,  100  m  distant  of  the  screenhouses)  and  in  the  centre of each screenhouse: air temperature and  relative  humidity,  solar  radiation,  net  radiation  and wind speed.  

2.3  Calculations 

The  daily  reference  evapotranspiration  Eref  (mm day‐1) was calculated by means of the FAO‐

56  Penman–Monteith  equation    [5],    using  the  outside and inside measured meteorological data  of air temperature (Ta) and vapour pressure deficit  (Da),  net  radiation  (Rn)  and  wind  speed,  W.  The  daily integral of soil heat flux was assumed to be  zero, leading to the following expression for Eref

) W . ( γ

D T W

γ R . E

a a

n

ref 1 034

273 408 900

0

 

     (1) 

where  is the slope of water pressure curve and 

 is the psychrometric constant, both in kPa ºC‐1.   The  use  of  Eq.  1  implicitly  implies  that  crop  albedo was fixed at 0.23, aerodynamic resistance  ra  (s  m‐1)  was  equal  to  208/W,  and  bulk  surface  resistance,  rc,  was  70  s  m‐1.  The  radiative  and  advective  components  of  Eref  were  defined  respectively as: 

) W . ( γ

R

Erad . n

34 0 1 408 0

    (2a) 

and  

) W . ( γ

D T W

γ E

a adv a

34 0 1

273 900

    (2b) 

The  ratios  of  screenhouse  Erad  and  Eadv  (subindice  ‘in’)  to  the  respective  outside  values  (subindice ‘out’) were calculated as: 

rad = Erad,in/Erad,out = radiative reduction factor 

adv = Eadv,in/Eadv,out = advective reduction factor 

tot = Eref,in/Eref,out = overall reduction factor  We  developed  a  model  based  on  the  hypothesis  that  the  radiative  reduction  factor  (rad)  is  a  function  of  the  screenhouse  transmittance, and the advective reduction factor  (adv)  is  a  function  of  the  wind  ratio.  Eref,in  is  therefore expressed as: 

out , adv out

, rad

out , adv ad out , rad rad in , ref

E ) ω ( g E

) τ ( f

E ζ E

ζ E

…(3) 

3. Results and Discussion 

The  time  evolution  of  daily  reference  evapotranspiration  (Eq.1)  for  the  open‐field  and  screenhouses  (Fig.  1)  followed  a  similar  time‐

pattern  to  that  observed  net  radiation,  Rn.  Compared to Eref,out, the absolute reduction (Eref,  mm  day‐1)  observed  in  the  screenhouses  were  ‐ 0.60, ‐ 1.58 and ‐1.57 mm day‐1 for IP1, IP2 and SG  respectively  in  Aug,  and  –  0.41,  ‐1.01  and  ‐0.99  mm  day‐1  respectively  in  Sept.  Over  the  two  months periods, the mean relative reduction with  respect to outside Eref was 17.4%, 41.3% and 42.6 

% in IP1, IP2 and SG respectively.  

The time pattern of the radiative component,  Erad, (Eq. 2a) followed closely that of Eref, (Fig. 2). 

On a monthly scale, Erad,IP1 (3.61 and 2.43 mm day

1 in Aug. and Sept. respectively) was very close to  Erad,out  (3.68  and  2.54  mm  day‐1  respectively). 

Erad,IP2 and Erad,GS were lower than Erad,out (2.71 and  2.50 mm day‐1 respectively in Aug, 1.82 and 1.71  mm  day‐1  respectively  in  Sept).  Over  the  whole  period  of  observation,  the  reduction  of  Erad  amounted to 3.0%, 27.1% and 31.9 % in IP1, IP2  and SG respectively. 

(3)

P á g i n a 234 | 274

  Figure 1. Time evolution of reference evapo‐

transpiration (Eref) outside and in the three  screenhouses. Continuous line = outside; square = 

IP1; triangle = IP2; circle = GS)   

  Figure 2. Time evolution of the 

radiativecomponent (Erad) outside and in the  three screenhouses. Symbols as in Fig.1   

The  advective  component,  Eadv  (Eq.  2b)  followed  a  distinct  time  evolution  from  Eref  and  Erad, showing maximum and minimum values (Fig. 

3)  that  were  concomitant  with  those  of  Da  and  Wout. Eadv was the lowest in IP2 and SG, which have  the  lowest  wind  ratios  (  =  0.19  and  0.20  respectively), and was approximately doubled for  IP1 ( = 0.43). The latter provided Eadv values that  were  approximately  half  of  Eadv,out.  The  mean  relative reduction with respect to outside Eadv was  75.1%,  74.0%  and  55.8  %  in  IP1,  IP2  and  SG  respectively.  

  Figure 3. Time evolution of the advective  component (Eadv) outside and in the three 

screenhouses. Symbols as in Fig.1   

The  respective  contribution  of  the  radiative  and  advective  term  with  respect  to  Eref  was  calculated  as  the  ratio  rad  =  Erad/Eref  and  adv  =  Eadv/Eref. = 1‐ rad. Over the observation period, rad  was  higher  in  the  screenhouses  with  respect  to  the  outside  value,  representing  on  average  96(3),  94(4)  and  90(5)  %  for  IP1,  IP2  and  GS  respectively,  while  the  mean  outside  value  was  85(4) %.   

Pooling the screenhouse daily data sets for the  two‐month  period  (n=  183),  clear  linear  relationships  were  obtained  between  the  parameters rad and  on one hand and between 

adv and  on other hand. The regression analysis  provided the following relationships are: 

46 0 90 1. τ .

ζrad       (4a) 

with  R2  =  0.85  and  RMSE  (root  mean  square  error) = 0.055, and 

00 0 21 1. ω .

ζadv     (4b)  with R2 = 0.95 and RMSE = 0.030.  

Using  these  equations  in  the  model  of  Eref,in  (Eq. 3), the final model formulation was obtained  as: 

out , adv out

, rad in

,

ref ( . τ . )E . E

E 190 046 121     (5)  The predicted values of Eref,in, by means of Eq. 

5, [Eref.in]est., were in fair agreement with the values  derived from Eq. 1 using in situ measurements of  the screenhouse internal variables, [Eref.in]obs (Fig. 

4).  The  inside  reference  evapotranspiration  was  predicted  from  Eq.  5  with  statistical  indicators  RMSE (root mean square error) = 0.11 mm day‐1,  MBE (mean bias error) = ‐0.02 mm day‐1 and R2 =  0.97.  

0 2 4 6

30/7 9/8 19/8 29/8 8/9 18/9 28/9

D ay Eref (mm day-1)

IP1 IP2

G S O ut

0 1 2 3 4 5

30/7 9/8 19/8 29/8 8/9 18/9 28/9

D ay Erad(mm day-1)

IP1 IP2

G S O ut

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6

30/7 9/8 19/8 29/8 8/9 18/9 28/9

D ay Eadv (mm day-1)

(4)

P á g i n a 235 | 274

  Figure 4. Relationship between daily observed and  estimated values of Eref,in (in mm day‐1).. 

From  the previous  results,  it  can be deduced  that the screenhouses enhanced the predominant  role  of  the  radiative  component  that  was  observed  in  open  field  conditions.  The  radiative  component  largely  outweighed  the  advective  component  in  all  screenhouses,  where  Erad  contributed to 96, 94 and 90 % of Eref in IP1, IP2  and GS respectively, against 85% outside.  

This  observation  underlines  that  great  care  should  be  taken  in  assessing  the  radiative  component  of  Eref,  for  which  small  errors  in  the  main driving variable – i.e. solar transmittance (Eq  4a)  –  could  lead  to  significant  errors  in  Eref,in..  In  corollary,  the  small  weight  of  the  advective  component  indicates  that  large  uncertainties  in  the determination of the wind ratio would not be  critical to the overall model performance (Fig. 4). 

4. Conclusion 

The two main inputs of the model, Erad,out and  Eadv,out  can  be  provided  by  agricultural  extension  services without more computation requirements  than  those  corresponding  to  the  calculation  of  daily Eref,out. The daily values of the radiative and  advective  components  could  therefore  be  supplied  as  specific  information  devoted  to  screenhouse‐crops  irrigation  scheduling. 

Individual farmers could easily calculate Eref,in from  the proposed model, provided they have a reliable  estimation of the transmittance and wind ratio of  their  screenhouse.  Other  option  would  be  that  extension  services  provide  farmers  with  a 

synthetic  table  where  Eref,in  is  calculated  for  a  range of values of  and .  

Screenhouse transmittance is a parameter of  prime  importance  in  predicting  Eref,in.  The  main  reasons are that (i) the radiative component Erad is  the predominant contributor to total Eref  and (ii)  the radiative reduction factor is highly sensitive to 

.  A  reliable  estimate  of    is  therefore  required  that  should  be  based  preferably  on  in  situ  measurements of the transmittance. This on farm 

‘calibration’  could  be  carried  out  by  research  organisms,  extension  services  or  manufacturers,  for  the  main  cover  materials  and  screenhouse  structures that are presently used by farmers. 

 

References 

[1] Castellano, S., Scarascia Mugnozza, G.,  Russo,  G.,    Briassoulis,  D.,  Mistriotis,  A.,  Hemming,  S.,  Waaijenberg, D., 2008. Plastic nets in agriculture: 

a general review of types and applications. Appl. 

Eng. Agric. 24,799‐808. 

[2]  Möller,  M.,  Tanny,  T.,  Li,  Y.,  Cohen,  S.,  2004. 

Measuring  and  predicting  evapotranspiration  in  an  insect‐proof  screenhouse.  Agric.  For. Meteor. 

127(1‐2), 35‐51. 

[3]  Möller,  M.,  Assouline,  S.,  2007.  Effects  of  a  shading  screen  on  microclimate  and  crop  water  requirements. Irrig. Sci. 25(2), 171‐181 

[4] Stanhill, G., Cohen, S., 2001. Global dimming: A  review  of  the  evidence  for  a  widespread  and  significant  reduction  of  global  radiation  with  discussion  of  its  probable  causes  and  possible  horticultural  consequences.  Agric.  For.  Meteor. 

107, 255‐278  

[5]  Allen,  R.G.,  Pereira,  L.S.,  Raes,  D.,  Smith,  M.,  1998.  Crop  evapotranspiration  –  guidelines  for  computing crop water requirements. Irrig. Drain. 

Paper 56, FAO, Roma, 297 p. 

[6]  Tanny,  J.,  Haijun,  L.,  Cohen,  S.,  2006.  Airflow  characteristics,  energy  balance  and  eddy  covariance  measurements  in  a  banana  screenhouse. Agric. For. Meteor. 139, 105‐118  [7]  Siqueira,  M.,  Katul,  G.,  Tanny,  J.,  2012.  The  effect of the screen on the mass, momentum, and  energy exchange rates of a uniform crop situated  in  an  extensive  screenhouse.  Boundary‐Layer  Meteor. 142(3), 339‐363 

 

   

y = 1.021x - 0.069 R2 = 0.971

0 1 2 3 4 5

0 1 2 3 4 5

[ETref,in] obs [ETref,in] obs

(5)

P á g i n a 236 | 274

  Figura 1. Evolución de los métodos de 

depuración. 2012. 

  Figura 2. Evolución del precio del agua depurada 

(€/m3). 2012. 

0 10 20 30 40 50 60

2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Depuración Biológica

Depuración Biológica con tratamiento  terciario Plantas de Lagunaje

Plantas con tratamiento  primario o en construcción

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

Precio agua depurada (€/m3)

Referencias

Documento similar

For instance, the best overall accuracy of bagging in Breast with 20% noise is achieved using a 10% sampling ratio: The test error goes from 4.1% when no noise is injected to 3.5%

In particular, different versions of the training set for the base learners can be used, as in bagging (bootstrap sampling of training data), class-switching (noise injection in

Astrometric and photometric star cata- logues derived from the ESA HIPPARCOS Space Astrometry Mission.

The photometry of the 236 238 objects detected in the reference images was grouped into the reference catalog (Table 3) 5 , which contains the object identifier, the right

The velocity of the earth's motion with respect to the rest frame of the O'K cosmic background radiation can be determined by measuring the anisotropy of the radiation.. Partridge

For instance, (i) in finite unified theories the universality predicts that the lightest supersymmetric particle is a charged particle, namely the superpartner of the τ -lepton,

First, due to the large variations of kinematic energy losses, the plural collisions yield a broad energy spectrum in scattering (in particular, this explains the presence of

The influence of the presence of rGO and the photocatalyst concentration on the radiation absorption inside the reactor was evaluated by solving a radiation model